美國加州大學圣地亞哥分校徐升副教授和團隊，開發(fā)出一種可穿戴超聲貼片，用于免手持的經(jīng)顱大腦血管成像和持續(xù)穩(wěn)定地監(jiān)測腦血流。

在該裝置中，該課題組采用2兆赫茲的低頻超聲波，以減少顱骨引起的信號衰減和相位畸變；加入銅網(wǎng)屏蔽層并采用超快超聲技術，極大提升信噪比的同時，還能精確實現(xiàn)3D腦血管成像。

從科學角度來看，這款可穿戴超聲貼片為臨床和基礎血流動力學研究提供了一個強大的平臺。其中最重要的方面體現(xiàn)在，可以為血管疾病患者提供手術中及手術后的真實血流監(jiān)測。

首先，在手術中對腦血流進行成像，不僅便于實時監(jiān)測一些突發(fā)情況，還能夠幫助臨床醫(yī)生確認手術是否成功。例如，對于蛛網(wǎng)膜下腔出血的病人來說，他們大腦中某個血管的血流速度會存在一些特殊形態(tài)。但如今在進行手術時，并沒有一個可以很好地實時監(jiān)測腦血流的設備，臨床醫(yī)生只能通過經(jīng)驗判斷手術是否成功。因此，如果在手術中使用該成果，就能方便地為臨床醫(yī)生提供有效指導。

其次，在手術后的緊急窗口期，能為病人提供全天候的腦血管監(jiān)控。在美國，接受過腦血管手術的病人，通常需要度過一個緊急窗口期，才能確保腦血管恢復良好，不會出現(xiàn)并發(fā)癥。在該階段，目前主要由超聲醫(yī)師每天在特定時間內(nèi)，使用經(jīng)顱多普勒技術進行掃查，再將結果假定為病人一天之內(nèi)血管的具體情況。由于這種方法無法提供全天候監(jiān)控，所以不能避免類似于早上接受過掃查的病人，晚上突然有血栓流入大腦，進而導致腦梗的情況發(fā)生。而采用該成果，有助于病人更好地度過手術窗口期。

圖丨腦血流測量的驗證（來源：Nature）

可穿戴超聲貼片，能用于3D腦血管成像和精準持續(xù)地監(jiān)測腦血流

腦血流，即血液在大腦中的流動。它能夠為大腦供應氧氣和能量底物、清除二氧化碳等代謝廢物，從而維持正常的大腦功能。所以，在臨床中對腦部疾病進行篩查與診斷，少不了要持續(xù)監(jiān)測腦血流動力學。然而，由于腦血管深埋于大腦內(nèi)部并受到顱骨的保護，因此要評估腦血流具有較大難度。

截至目前，相關領域的科研人員，已經(jīng)開發(fā)了多種用于測量腦血流的方法，包括電子計算機斷層掃描、核磁共振成像等。雖然它們都能提供足夠的空間分辨率，但這些設備價格昂貴、體積較大、操作復雜，需要完善的醫(yī)療設施進行支持，所以導致其在實際醫(yī)療場景中的使用頻率并不高。

因具備高安全性、低成本、便攜性、多功能性、高時空分辨率等多種優(yōu)勢，經(jīng)顱多普勒超聲（TCD，transcranial Doppler）被廣泛用于腦血流動力學監(jiān)測。

不過，該方法也存在幾個局限性。其一，傳統(tǒng)TCD探頭是剛性的，需要臨床醫(yī)生手動或利用頭箍型設備固定，因而會導致監(jiān)測信號波動、監(jiān)測質(zhì)量下降，以及患者的腦部不適。其二，這些探頭只能成像復雜3D腦動脈網(wǎng)絡的一部分，不同的操作者可能會從3D網(wǎng)絡的不同部分獲取信號，影響監(jiān)測結果的可重復性和再現(xiàn)性。其三，為了確定采集高質(zhì)量頻譜的最佳角度，臨床醫(yī)生需要手動傾斜探頭，這既繁瑣耗時，又高度依賴專業(yè)技能。

圖丨用于TCD的可穿戴超聲貼片概述（來源：Nature）

基于此，為解決上述方法存在的不足，該團隊開發(fā)了可穿戴超聲貼片。相較于傳統(tǒng)的TCD方法，該成果的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。首先，不但可以實現(xiàn)大腦血管的3D成像，還能基于此定位到某個特定的血管并對血流進行監(jiān)測，從而提供完善的3D大腦血管信息。相比之下，TCD方法僅能提供1D或2D的圖像信息，容易造成較高的監(jiān)測誤差率。其次，監(jiān)測到的腦血流速度準確率較高。

在臨床實驗中，研究人員分別采用該成果和TCD探頭，在超過三十名參與者身上進行了對比驗證。結果顯示峰值收縮速度、平均血流速度和舒張末期速度的平均差異及差異的標準偏差分別為-1.51 ± 4.34 cm/s、-0.84 ± 3.06 cm/s和-0.50 ± 2.55 cm/s。

最后，該研究開發(fā)的可穿戴超聲貼片能夠親膚地貼附在大腦的特定窗口上進行監(jiān)測，既避免了患者在長期佩戴TCD探頭時產(chǎn)生的不適感甚至疼痛感，又能解決超聲醫(yī)生手持探頭做檢測時，面臨的手臂酸痛、人為誤差等一系列問題。

推動成果實現(xiàn)產(chǎn)品轉化，期待造福更多患者和醫(yī)生

據(jù)周賽介紹，該研究始于2020年初。

他們先是驗證了該項目的可行性，包括完善有關超聲貼片的前置研發(fā)工作、探究它的應用場景。

“在此過程中，我們想到通過一個可穿戴的超聲裝置，來實現(xiàn)經(jīng)顱的多普勒成像?！彼f。

接著，他們設計了一款可穿戴超聲貼片，并對它能否完成腦血流成像做了進一步測試。

但在當時，他們的裝置并不能實現(xiàn)這一目標。直到對其進行一系列軟硬件迭代之后，裝置才能在不穩(wěn)定的狀態(tài)下檢測到一些信號。

而后，他們又花費了一年多的時間進行探索，發(fā)現(xiàn)如果使用超快超聲技術，不僅能夠極大地提高信號的信噪比，還可以在不同的樣本中持續(xù)穩(wěn)定地實現(xiàn)大量血流成像。

基于此，他們將測得的結果進一步優(yōu)化和完善，然后才撰寫論文并投遞至Nature。

“這篇論文審稿的過程非常漫長，大概經(jīng)歷了14個月時間。有些審稿人是醫(yī)生，他們認為我們設計的設備非常新穎和有用，但也提出了一些建議?！敝苜惐硎?。

因為當時他們主要使用該裝置做了一些基于年輕人的臨床實驗，并沒有覆蓋一些年老的、可能會有血管疾病的病人，所以審稿人就希望課題組能夠擴大樣本量。

針對審稿人的意見，該團隊將臨床實驗的樣本量擴大到36名參與者。

在實驗開展的過程中，他們首先需要得到美國倫理審查委員會的實驗批準，接著又在網(wǎng)站上發(fā)布了這項實驗的相關信息，以招募更多志愿者。在獲得參與者的同意之后，才正式啟動實驗。

“我們隨機使用傳統(tǒng)TCD和可穿戴超聲貼片，在參與者身上先后進行關于血流成像和血流流速的監(jiān)測。等到獲取全部監(jiān)測結果之后，再進行相應的統(tǒng)計學分析，最終將分析結果寫進論文中?！敝苜惐硎尽?/p>

事實上，為更好地掌握不同活動場景對于特定腦動脈的血流動力學的調(diào)節(jié)情況，研究人員要求參與者完成手握力測試、瓦氏試驗、單詞生成和視覺刺激這四種不同的活動，每個活動重復15次，以盡可能地減少混雜因素的干擾。

前兩種活動是物理層面的刺激，希望通過不同的呼吸方式觀察到，腦血流如果想激發(fā)這些行為會如何變化。

后兩種活動更偏向于對大腦功能的診斷，是想看大腦在接受不同信號刺激的條件下，是否存在血流變化。

據(jù)周賽介紹，直到上述臨床實驗全部完成以后，這篇論文才被真正地接收。

最終，相關論文以“Transcranial volumetric imaging using a conformal ultrasound patch”為題在Nature上發(fā)表。加州大學圣地亞哥分校博士生周賽、博士后研究員郜曉翔、博士生樸健浩（Geonho Park）和博士生楊心怡是共同一作，徐升擔任通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Nature）

需要說明的是，雖然該成果目前已經(jīng)能夠比較穩(wěn)定地實現(xiàn)腦血流的3D成像和血流流速的監(jiān)測，但仍然存在一些局限性，如分辨率不高等。

所以在接下來，研究人員也計劃采用其他方式提高設備的分辨率，例如嘗試添加造影劑，以更加精細化地實現(xiàn)微血管成像。

與此同時，由于該課題組希望這項成果不僅僅停留在理論層面，而是更偏向于應用，因此他們也會進一步擴大臨床實驗人群，尤其是會關注那些罹患腦中風、蛛網(wǎng)膜下出血等特定腦部疾病的患者。

“我希望這項技術可以真正幫助到更多病人及醫(yī)生。目前，我們正在推動該成果實現(xiàn)產(chǎn)品轉化，期待能夠獲得更多關注?！敝苜惾缡钦f。